導讀
近日，瑞士洛桑聯邦理工學院的研究人員採用一個光子芯片和一個普通攝像頭，在小型樣本中逐個數算生物分子並判斷其位置。他們的小型設備結合了光學和圖像分析技術，甚至能檢測只有一個原子厚度的石墨烯薄片。未來，這種傳感器將在個性化醫療中扮演重要角色。
背景
超材料（metamaterial），又稱超穎材料，通常是指通過人工設計結構實現，具有天然材料無法具備的超常物理特性的複合材料。舉例來說，超材料對光波、聲波、電磁波等具有強大的操控能力，能實現普通材料無法實現的奇特功能。
由超材料製成的無需半導體的微電子設備（圖片來源：加州大學聖地亞哥分校應用電磁學小組）
超表面（metasurface），是由具有特殊電磁屬性的人工原子按照一定的排列方式組成的二維平面結構，可實現對入射光的振幅、相位、偏振等靈活的調控，具有強大的光場操控能力。相比於傳統三維超材料，超表面具有低損耗、易集成、製備工藝簡單等優勢，有利於納米光學器件的集成化和小型化，具有更廣闊的應用前景。
由超表面製成的隱身斗篷（圖片來源：伯克利實驗室）
創新
今天，讓我們一起來關注一項基於超表面的創新研究。
不久的將來，我們每個人都可能擁有一個小到足以放在床頭邊的小桌上或者口袋中的簡單設備。該設備使我們能獲知自己的健康狀況，識別甚至追蹤血液或尿液中的不良生物標記物，充當疾病早期預警系統，並有望成為一種個性化的醫療手段。
近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）生物納米光子系統（BIOS）實驗室的研究人員們開發出一種強大的工具，有望推進這項技術革新。它由一個小型超薄光學芯片組成，當外加一個標準CMOS攝像頭進行圖像分析時，可在樣本中逐個數算生物分子並判斷它們的位置。他們的研究已經發表在《自然光子學（Nature Photonics）》期刊上。
技術
這項開創性技術基於超表面（光子學領域的後起之秀）。超表面是由幾百萬個以特殊方式排列的納米級元件覆蓋的人造材料薄片。在特定的頻率下，這些元件能將光線引導到極小的空間中，創造出超靈敏的光學‘熱點’。
當光線照射到超表面上並擊中其中一個熱點上的某個分子時，分子會被立即檢測出來。實際上，分子是通過改變照射光線的波長，暴露了自己。
通過採用超表面上不同顏色的光線，並每次通過CMOS攝像頭拍照，研究人員們可以計算出樣本中分子的數量，並精準地學習到傳感器芯片上正在發生什麼。論文第一作者 Filiz Yesilkoy 表示：“然後，我們採用智能數據科學工具分析通過這個過程獲取到的幾百萬個CMOS像素點，並判斷趨勢。我們已經展示了我們能對熱點上單獨的生物分子，甚至是隻有單個原子厚度的單層石墨烯薄片，進行檢測和成像。”
採用全電介質超表面、基於高光譜成像的生物分子檢測的原理（圖片來源：參考資料【2】）
採用電介質超表面傳感器以及基於圖像數據處理的生物傳感（圖片來源：參考資料【2】）
研究人員們通過進一步的研究，開發出了他們系統的第二個版本。在第二個版本中，超表面能被設定在不同區域以不同波長產生共振。論文合著者之一的 Eduardo R. Arvelo 表示：“這項技術更簡單，然而它定位分子的精準度要低一些。”
價值
BIOS 實驗室負責人、項目領頭人 Hatice Altug 看到了光學領域的巨大潛力。他說：“光線擁有許多特性，例如強度、相位和偏振，並能穿越空間。這意味著，光學傳感器在應對未來挑戰，特別是個性化醫療方面，扮演著重要角色。”
關鍵字
傳感器、醫療、光學、超表面
【1】https://actu.epfl.ch/news/harnessing-photonics-for-at-home-disease-detection/
【2】Filiz Yesilkoy, Eduardo R. Arvelo, Yasaman Jahani, Mingkai Liu, Andreas Tittl, Volkan Cevher, Yuri Kivshar, Hatice Altug. Ultrasensitive hyperspectral imaging and biodetection enabled by dielectric metasurfaces. Nature Photonics, 2019; DOI: 10.1038/s41566-019-0394-6
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